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露天中深孔小药卷爆破除水研究

来源期刊:中南大学学报(自然科学版)2018年第9期

论文作者:尹彦波 周科平 彭文庆 GAO Feng(高峰)

文章页码:2323 - 2330

关键词:药卷爆破除水;中深孔;理论模型;数值模拟

Key words:explosive cartridge blasting drainage; medium-length bore; theoretical model; numerical simulation

摘    要:基于在露天中深孔爆破过程中,炮孔内积水会引起诸如装药困难、拒爆及爆破效果不理想,而采用人工除水及空压机“吹水”等传统除水方法又效率太低的问题,提出小药卷爆破除水方案。通过建立理论模型,确定除水药卷药量的合理范围,并利用LS-DYNA数值模拟验证此除水方案的合理性。研究结果表明:采用合适药量的小药卷爆破进行露天中深孔除水的方法,降水幅度达85%以上,而且剩余水垫层的作用可使爆破炸药消耗量降低7%以上。

Abstract: The water-bearing borehole can cause a series of problems in the process of medium-length bore blasting in opencast such as the difficulty in loading explosive power, misfire and poor effect etc, and the efficiency of the traditional methods of removing water, such as artificial drainage, air compressor and so on, is very low. Aiming at these problems in deep hole of opencast, the precept of small explosive volumes blasting drainage was put forward. By establishing theoretical model, the reasonable range of the selected dose was obtained. The reasonableness of drainage scheme was verified by numerical simulation using LS-DYNA. The results show that using the measurement of the optimal dose of small explosive cartridge blasting drainage can effectively make precipitation range increase to 85% and the consumption of blasting explosives reduce by more than 7% due to the surplus bottom water cushion.



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DOI: 10.11817/j.issn.1672-7207.2018.09.027

露天中深孔小药卷爆破除水研究

尹彦波1, 2,周科平1,彭文庆3,高峰1

(1. 中南大学 资源与安全工程学院,湖南 长沙,410083;

2. 长沙矿山研究院 安全技术中心,湖南 长沙,410012;

3. 湖南科技大学 能源与安全工程学院,湖南 湘潭,411201)

摘要:基于在露天中深孔爆破过程中,炮孔内积水会引起诸如装药困难、拒爆及爆破效果不理想,而采用人工除水及空压机“吹水”等传统除水方法又效率太低的问题,提出小药卷爆破除水方案。通过建立理论模型,确定除水药卷药量的合理范围,并利用LS-DYNA数值模拟验证此除水方案的合理性。研究结果表明:采用合适药量的小药卷爆破进行露天中深孔除水的方法,降水幅度达85%以上,而且剩余水垫层的作用可使爆破炸药消耗量降低7%以上。

关键词:药卷爆破除水;中深孔;理论模型;数值模拟

中图分类号:TD804        文献标志码:A         文章编号:1672-7207(2018)09-2323-07

Study on small explosive volumes blasting drainage of medium-length borehole in opencast

YIN Yanbo1, 2, ZHOU Keping1, PENG Wenqing3, GAO Feng1

(1. School of Resources and Safety Engineering, Central South University, Changsha 410083, China;

2. Center of Safety Technology, Changsha Institute of Mining Research, Changsha 410012, China;

3. School of Energy and Safety Engineering, Hunan University of Science and Technology, Xiangtan 411201, China)

Abstract: The water-bearing borehole can cause a series of problems in the process of medium-length bore blasting in opencast such as the difficulty in loading explosive power, misfire and poor effect etc, and the efficiency of the traditional methods of removing water, such as artificial drainage, air compressor and so on, is very low. Aiming at these problems in deep hole of opencast, the precept of small explosive volumes blasting drainage was put forward. By establishing theoretical model, the reasonable range of the selected dose was obtained. The reasonableness of drainage scheme was verified by numerical simulation using LS-DYNA. The results show that using the measurement of the optimal dose of small explosive cartridge blasting drainage can effectively make precipitation range increase to 85% and the consumption of blasting explosives reduce by more than 7% due to the surplus bottom water cushion.

Key words: explosive cartridge blasting drainage; medium-length bore; theoretical model; numerical simulation

当前,我国很多露天金属矿山采用中深孔爆破的方法进行崩矿。在矿山开采、凿岩爆破过程中,受地形及天气的影响,炮孔积水问题较多,特别是在一些裂隙水补给丰富及南方多雨地区,这一现象更加严重。

虽然水压控制爆破技术利用水密度大、不可压缩性的特性,可以达到改善爆破效果、降低爆破炸药单耗和控制爆破危害[1-2],但在实际操作过程中,该技术存在以下问题。

1) 装药困难。炮孔积水,矿山只能采用防水炸药如乳化炸药、水胶炸药等。由于此类炸药较为黏结,通常采用蜡纸或塑料卷装,而卷装质量差异造成塑料袋内不同程度地含有空气,导致药卷密度不一,一般为0.90~1.30 g/cm3。而炮孔积水中悬浮了一定量的岩屑,混合物的密度也为1.00~1.30 g/cm3,在装药过程中药卷难以下沉。多数矿山采用人工捣压或者自然静置的方法使其下沉,常引起药卷变形或破坏而堵孔、炸药静置时间过长失效而拒爆、装药不到位等问题,对爆破效果影响极大。

2) 易产生拒爆。一方面,由于积水炮孔存在悬浮岩屑,在炸药电解质的作用下造成不均匀沉降。先沉入孔底的药卷与衔接药卷之间存在大量含泥尘砾,使得炮孔的孔径变小或者变形,导致药卷被卡住,这样容易造成两药卷之间有一段无药间隔,若间隔距离超过炸药在水介质中的殉爆距离,则会造成底部药卷产生拒爆。另一方面,不排除由于炸药或雷管质量缺陷,久置于水介质中失效而产生拒爆现象。

3) 爆破效果不理想。由于炮孔内存在与炸药密度相近的混合介质,炸药难以沉入孔底,造成底部炸药爆力不足以克服底盘抵抗线的阻力,容易造成底部破碎效果不良,甚至出现根底。若矿山采用岩粉堵孔,岩粉遇水易形成泥浆,则导致填塞物与炮孔之间的摩擦力降低,爆破时能量过早外泄,甚至产生冲孔现象,使爆破效果变差[3]

可见,有效解决露天含水中深孔水处理问题对于矿山稳定生产至关重要。目前,我国大多矿山采取以下方法对水炮孔进行处理[3]:1) 采用空压机进行“吹水”。受限于空压机的机动性,此方法仅适合于部分浅孔水处理,且效率较低。2) 人工排水。用潜水泵抽或用吹水专用设备进行处理。该处理方法费时费力且收效甚微。3) 采用水压控制爆破如间隔装药技术。这些方法操作较繁琐,加上矿山爆破工人接受能力较低,倘若使用不当,效果适得其反。4) 将药卷捆绑在竹片上然后整体下放,这种方法应用于浅孔尚可,对于中深孔操作极其繁琐、复杂。为此,针对露天含水中深孔水处理难题,提出小药卷爆破除水方案,利用小药包爆破进行“冲水”。本文作者以理论分析为基础,确定除水药卷药量的合理范围,并从数值模拟的角度验证此除水方案的合理性。

1  理论模型

炮孔中的药包爆炸后,孔内高温高压膨胀气体迅速地向外传播,对周围水介质产生压缩作用,激起冲击波,横向对炮孔壁岩石产生破坏作用,径向推动炸药上部水柱往孔口运动。因此,采用小药包除水处理方法,必须要求药包爆炸产生的爆力不能破坏孔壁的完整性,又要尽可能将水柱推出孔外。研究时,为不失一般性,假定小药包爆炸时处于孔底,水柱整体抬升,忽略水柱与孔壁之间的黏滞作用。小药卷爆炸“冲水”模型如图1所示[4-5](其中,H为炮孔深度,m;h为孔内水深中,m)。

图1  含水炮孔及药卷位置示意图

Fig. 1  Sketch map of water-bearing drill hole and explosive volume position

1.1  药卷药量的上限

由于水具有不可压缩性、黏滞性和导热性等特性,进而使得爆炸能量耗散,在传播过程中,冲击波的波速和峰值压力随距离的增大而衰减。炸药在有水炮孔中发生爆炸后,冲击波沿着炮孔轴线传播到孔壁并发生反射和透射,且对周围岩石产生破坏作用[6-9]

陈士海等[10]提出按照广义的Mises条件作为岩石的动力破坏准则。在某静水压力作用下,当剪应力超过按照该静水压力下屈服条件计算得到的屈服值时,岩石则发生破坏。因此,可以利用广义的Mises条件作为未破坏材料剪切强度的准则:

              

式中:为黏结力;为未破坏材料的摩擦因数;为剪切强度的极限值;p为静水压力;Sij为强度极限和流限和剪应力关系图截面积。

圆柱形药卷爆炸后,当爆轰波到达爆轰产物与水的分界面时,会发生透射和反射。当高温高压的爆轰产物撞击周围的水时,会形成冲击波。当冲击波传播到孔壁时,其波阵面上的压力(孔壁入射冲击波峰值)为[11-12]

              

式中:为某点的冲击波峰值,MPa;为横向比例距离;;rb为炮孔半径,mm;WT为总装药量的TNT当量。

              

式中:WC为总药量;QC为装药的爆热,J/g;QT为TNT的爆热, J/g。

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